JP2017526915A

JP2017526915A - センシング装置

Info

Publication number: JP2017526915A
Application number: JP2017506923A
Authority: JP
Inventors: ホアン、チョンチュン; ルオ、チュン; チャオ、チャオ
Original assignee: Ocular Fluidics Inc
Current assignee: Ocular Fluidics Inc
Priority date: 2014-08-07
Filing date: 2015-08-03
Publication date: 2017-09-14
Also published as: US20180045667A1; CN104792845A; EP3182109A4; WO2016019836A1; EP3182109A1

Abstract

センシング装置を開示する。該センシング装置は、誘電体層によって分離されている第１の電極層及び第２の電極層、並びに該第１の電極層、該第２の電極層、及び該誘電体層を貫く貫通孔を備える。【選択図】図２

Description

（相互参照）
本開示は「センシング装置」の名称で２０１４年８月７日に出願された中国特許出願番号２０１４１０３８５６０３．８の優先権を主張するものである。その開示内容はすべてこの引用により本明細書に含まれるものとする。

本開示は、総じて電気化学的検出に関し、より具体的には電気化学バイオセンサーなどのセンシング装置に関する。

電気化学バイオセンサーは、生物学的感知素子及び電気化学センサーを備える。生物学的感知素子は、酵素触媒電極を備えるものから始まり、その後、ＤＮＡ，抗原、抗体、微小動物、並びに動物及び植物の組織を備えるものが出てきている。そのようなセンサーの性能は、様々な現代の生物学的技術及び化学修飾技術によって絶えず向上している。

図５に示すような従来の電気化学センサーでは、一般的に検出電極５０６−１、５０６−２がシリコン基板などの基板５０２上に作りこまれている。電極５０６−１、５０６−２には、プローブ分子（図中、Ｙ状の記号で示す）を付着させることができる。基板５０２とカバープレート５０４によって画定される流路に液体試料が流れると（図中、水平の矢印で示す）、試料中の検出すべき分子（図中、丸印で示す）とプローブ分子との間で生物学的反応が起こり得る。この生物学的反応（通常、酸化還元反応）における電荷／電流の変化を電極５０６−１及び５０６−２によって検出することができる。典型的に、電極は、交差指型微小電極アレイ（ＩＤＡ（ＩｎｔｅｒｄｉｇｉｔａｔｅｄＭｉｃｒｏｅｌｅｃｔｒｏｄｅｓＡｒｒａｙ））の構造を有することができる。そのような場合、二つの隣接する電極（それぞれ酸化電極及び還元電極として使用することができる）は、一組の電極対を構成しており、異なるバイアス電圧をかけられるようになっている。このプロセスは、繰り返し反復することができ、酸化還元サイクルと呼ぶことができる。図５に示すように、酸化還元サイクルにおいて、陰極５０６−２上の還元生成物（Ｒ）は、拡散により陽極５０６−１に達して酸化される。そして、酸化生成物（Ｏ）は陰極に拡散して還元され、最終的にサイクルが完了する。

この酸化還元サイクルにおいて、反応生成物が拡散する経路と拡散時間は、陰極５０６−２と陽極５０６−１の間の距離に依存する。酸化還元サイクルの効率は、隣接する電極の間隔を狭めて電気化学検出信号を増やすことにより向上させることができる。定量的に、酸化還元サイクル反応における定常状態電流Ｉ（限界）は、以下の式により導くことができる。

式中、ｇは隣接する電極の間隔、ｗは電極の幅、ｍは交差指型電極対の数、ｂは電極の長さ、Ｆはファラデー定数、ｎは酸化還元反応において移動される電子の数、Ｃ_ｓｐｅは酸化還元分子の濃度、Ｄは酸化還元分子の拡散係数である。典型的な実験条件における定常状態電流と交差指型電極対間隔との関係について計算すると、該間隔が数ミクロンを超えると定常状態電流は急激に減少することがある。

酸化還元サイクルの特性を十分に利用して検出電流をできる限り大きくするには、ミクロンさらにはナノメートルのスケールの電極を一般的に使用し、電極の間隔をできる限り小さくする。従来の方法において、ナノメートルスケールの電極間隔は、例えば、深紫外リソグラフィー又は電子線リソグラフィーによりマイクロ−ナノ加工プロセスを強化することでもたらされている。しかし、ナノスケールの電極を形成するこのプロセスの困難性とコストは、素子のスケールによって極端に増加する。電子線リソグラフィーを用いるとすると、現在のナノスケール電極は、数ナノメートル程度の寸法となり得、長い照射時間が必要となり、これは生産量の低下につながる。

さらに、そのような電気化学検出装置において、検出すべき分子は、図５に示すようにフローオーバーモード（流れによって覆う態様）で移動させられる。特に、検出すべき分子は、結合反応を起こすためにプローブ分子の近くまで拡散しなければならない。マイクロスケールの層流状態において、検出すべき分子とプローブ分子との結合効率には限りがある。

本開示の目的は、特に、化学分子及び／又は生体分子などの標的粒子を効率よく検出できるセンシング装置を提供することにある。

本開示の実施形態によりセンシング装置が提供される。該センシング装置は、誘電体層によって分離されている第１の電極層及び第２の電極層、並びに該第１の電極層、該第２の電極層、及び該誘電体層を貫く貫通孔を備える。

本開示の実施形態によるセンシング装置において、電極の間の空間（例えば、数ナノメートル〜数十ナノメートル）は、二つの電極層（それらは三次元的電極構造を構成する）の間にある誘電体層によって必然的に形成されており、複雑で費用のかかる電子線リソグラフィー法によるものではない。

さらに、従来の電気化学センサー（図５に示すような）では、検出すべき分子は装置（電極）の上を流れている。マイクロスケールの層流が生じる場合、検出すべき分子とプローブ分子との反応は、主に、検出すべき分子の拡散速度に支配され、このことは検出速度の低下及び感度の悪化につながり得る。本開示の実施形態により、新規なマイクロ／ナノ貫通孔構造が提供される。複数の電極が異なる高さに配置され、そして液体試料は該貫通孔を通って流れる。このことは、検出すべき分子の拡散効率とプローブ分子が反応する確率とを大きく高め、かつセンサーの感度を向上させる。

本開示の上述した及び他の目的、特徴、並びに利点は、添付の図面を参照して以下に記載される本開示の実施形態からより明らかになる。図面は以下の通りである。

本開示の一実施形態によるセンシング装置を模式的に示す斜視図である。本開示の他の一実施形態によるセンシング装置を模式的に示す断面図である。本開示のさらなる一実施形態によるセンシング装置を模式的に示す断面図である。本開示のさらなる一実施形態によるセンシング装置を模式的に示す断面図である。関連技術における電気化学センサーを示す模式図である。

以下に本開示の実施形態について添付の図面を参照して説明する。しかし当然のことながらそれらの説明は例示であり本開示を限定するものではない。また以下において既知の構造及び技術を説明していないのは、本開示の思想を不必要に分かりにくくするのを避けるためである。

図面では、本開示の実施形態による種々の構造が模式的に示されている。しかし、それらは一定の縮尺で描いておらず、理解されやすいように、ある特徴は拡大し、ある特徴は省略している場合がある。さらに、図面に示す領域及び層の形状並びに相対的寸法及び位置は、例示にすぎず、実際には、製造公差や技術的制約のため変わる場合がある。また当業者は、必要に応じて、他の異なる形状、寸法、及び相対的位置の領域／層を創出することもできる。

本開示に関して、層／構成要素がさらなる層／構成要素の「上」にあると規定される場合、該層／構成要素は、該さらなる層／構成要素の直接上に配置されていてもよく、さもなくば、それらの間に介在する層／構成要素があってもよい。また、ある向きにおいて、層／構成要素がさらなる層／構成要素の「上」にある場合、その向きを変えれば、該層／構成要素は該さらなる層／構成要素の「下」になり得る。

本開示の実施形態により、試料中の標的粒子、例えば、化学分子及び／又は生体分子を検出するセンシング装置が提供される。該センシング装置は、誘電体層によって分離されている第１の電極層及び第２の電極層、並びに該第１の電極層、該第２の電極層、及び該誘電体層を貫く貫通孔を備える。貫通孔アレイを篩状の構造となるよう形成してもよい。

第１の電極層、第２の電極層、及び誘電体層からなるサンドイッチ構造は、基板の片側上に配置することができ、そして貫通孔は基板を貫いていてもよい。必要に応じて、さらなる第１の電極層、さらなる第２の電極層、及びさらなる誘電体層からなるさらなるサンドイッチ構造を基板の反対側に配置することもできる。そして貫通孔は、さらなるサンドイッチ構造を貫いていてもよい。

貫通孔は、実質的に円形のものなど適宜（例えば、容易に製造するため）種々のものとすることができる。アレイ状に配置された複数の貫通孔は、同じ種類のものでも異なる種類のものでもよく、またそれぞれの貫通孔は、同じ寸法のものでも異なる寸法のものでもよい。貫通孔は、第１の電極層、第２の電極層、及び誘電体層（並びに必要に応じてその下の基板）からなるサンドイッチ構造を垂直に貫いていてもよい。各貫通孔は、第１の電極層と第２の電極層において寸法が同じであってもよいし異なっていてもよい。

本開示の実施形態に従って、センシング装置は、マイクロ流体チップを備えてもよい。該マイクロ流体チップは、液体試料が貫通孔を通って流れるよう該試料を該装置内に導く構成となっている。

そのようなセンシング装置は、電気化学バイオセンサーとして使用することができる。

本開示の技術は、種々の態様で実施することができる。それらのいくつかを図面を参照して以下に例示する。

図１は本開示の一実施形態によるセンシング装置の斜視図を模式的に示す。

図１に示すように、この実施形態によるセンシング装置１０００は、基板１００２を有することができる。例えば、基板１００２は、シリコンなどの半導体材料、ガラスや石英などの無機材料、及びポリメタクリル酸メチルやポリカーボネートなどのポリマーの少なくとも一種を含むことができる。

第１の電極層１００４、誘電体層１００６、及び第２の電極層１００８が、基板１００２上に順に形成されている。必要に応じて、パッシベーション層１０１０を第２の電極層１００８の上に形成してその下のそれぞれの層を保護してもよい。それぞれの層は、例えば、堆積法又は蒸着法により基板１００２上に形成することができる。第１の電極層１００４及び第２の電極層１００８は、適当な導電材料、例えば、Ａｕなどの金属を含むことができ、数〜数百ナノメートル程度の厚みを有することができる。電極層と基板１００２との接着又は電極層と誘電体層１００６との接着を強めるため、移行層を、電極層と基板１００２との間及び／又は電極層と誘電体層１００６との間に形成することができる。移行層は、適宜、導電材料、例えば、Ｔｉ、Ｃｒなどの金属を含むことができ、数〜数十ナノメートル程度の厚みを有することができる。誘電体層１００６は、適宜、誘電材料、例えば、酸化シリコン、窒化シリコンなどを含み、数〜数十ナノメートル程度の厚みを有することができる。パッシベーション層１００８は、酸化シリコン、窒化シリコン、又は他のポリマーを含むことができ、数〜数百ナノメートル程度の厚みを有することができる。

なお、図１には、電極層と誘電体層からなるサンドイッチ構造の下に基板、そしてサンドイッチ構造の上にパッシベーション層を示しているが、それらは、必須ではない。ある用途において、基板及び／又はパッシベーション層はなくてもよい。

サンドイッチ構造において、貫通孔１０１２は、例えば、エッチング法により、サンドイッチ構造を両側（図面では上側及び下側）まで貫くよう形成することができる。例えば、貫通孔１０１２は、円形のものとすることができ、約１００ｎｍ〜約５００μｍの直径を有することができる。基板１００２及び／又はパッシベーション層１０１０が形成されている場合、貫通孔１０１２は、基板１００２及び／又はパッシベーション層１０１０も貫いている。液体は、装置の一方側（例えば、図１において上側）から他方側（例えば、図１において下側）に貫通孔を通って流れることができ、従って液体は第１の電極層及び第２の電極層を通って流れることができ、電気化学的検出を高い効率で行うことができる。

図１には４×４の貫通孔からなるアレイが示されているが、本開示はこれに限定されない。貫通孔は、より多くてもよいし、より少なくてもよい。さらに、図１のアレイは正方形の形状を有するアレイである。しかし、本開示はこれに限定されない。貫通孔は、他の規則的な又は不規則なパターンで配置することができる。貫通孔の形状は、図に示す規則的な柱状に限定されない。貫通孔は、製造に適した任意の他の形状とすることができ、さらに製造公差、プロセスの制約などから形状にばらつきがあってもよい。

さらに図１の例において、電極層及び誘電体層からなるサンドイッチ構造は、基板１００２の片側（図１では上側）のみに形成されている。しかし、本開示はこれに限定されない。例えば、電極層と誘電体層からなるもう一つのサンドイッチ構造を基板１００２の反対側（図１では下側）に形成することができる。そのもう一つのサンドイッチ構造において電極層及び誘電体層は、上記サンドイッチ構造と同じ構造を有していてもよいし異なる構造を有していてもよい。

図２は本開示のもう一つの実施形態によるセンシング装置の断面図を模式的に示す。

図２に示すように、この実施形態によるセンシング装置２０００は、基板２００２を有することができる。第１の電極層２００４、誘電体層２００６、第２の電極層２００８、及びパッシベーション層２０１０が順に基板２００２上に形成されている。基板及びこれらの層の構成についての説明は、図１による説明を参照することができる。

センシング装置２０００は、基板２００２及びその上にあるそれぞれの層を貫く貫通孔（２０１２−１及び２０１２−２）をさらに有することができる。この実施形態において、貫通孔は、第２の電極層２００８における部分（２０１２−１）の寸法が、第１の電極層２００４おける部分（２０１２−２）の寸法と異なっている（この実施形態では、より大きくなっている）。例えば、そのような貫通孔は、以下のように形成することができる。具体的には、パッシベーション層２０１０、第２の電極層２００８、及び誘電体層２００６を、例えば、第１のフォトマスクを用いた反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）により順にエッチングする。第１のフォトマスクは、相対的に大きなサイズの開口を画定することができる。次に、第２のフォトマスクを用いて第１の電極層２００４及び基板２００２を順にエッチングする。第２のフォトマスクは、相対的に小さなサイズの開口を画定することができる。

図面にＹ状の記号で示すプローブ分子（例えば、抗体タンパク質）は、第１の電極層２００４及び第２の電極層２００８において露出した貫通孔の表面に付着させることができる。電気信号（例えば、直流信号又は交流信号）を第１の電極層２００４と第２の電極層２００８に印加することができる。当業者は、第１の電極層２００４及び第２の電極層２００８に電気信号を印加するため配線などの接続部を形成する様々な手段を想到することができる。図中矢印で示す方向に液体試料が貫通孔を通って流れると、試料中の検出すべき分子（図中丸印で示す）は、プローブ分子と反応することができ、該分子の検出が達成される。当業者に明らかなとおり、特定の分子を検出するためプローブ分子を選択する。

なお、便宜上図２には一つの貫通孔（２０１２−１及び２０１２−２）のみが示されているが、本開示はこれに限定されない。より多くの貫通孔が存在してもよい。

図３は、本開示のさらなる実施形態によるセンシング装置の断面図を模式的に示す。センシング装置３０００は、貫通孔の形状が異なること以外、図２のセンシング装置２０００と実質的に同じである。

図３に示すように、この実施形態によるセンシング装置３０００は基板３００２を有することができる。第１の電極層３００４、誘電体層３００６、第２の電極層３００８、及びパッシベーション層３０１０が順に基板３００２上に形成されている。基板及びこれらの層の構成についての説明は、図１による説明を参照することができる。

センシング装置３０００は、基板３００２及びその上にあるそれぞれの層を貫く貫通孔をさらに有することができる。この実施形態において、貫通孔は、第２の電極層３００８における寸法と第１の電極層３００４における寸法とが実質的に同じである。特にこの実施形態において、貫通孔は、実質的に同じサイズの断面でそれぞれの層を貫いている。例えば、そのような貫通孔は、以下のようにして形成することができる。具体的には、パッシベーション層３０１０、第２の電極層３００８、誘電体層３００６、第１の電極層３００４、及び基板３００２を、例えば、同じフォトマスクを用いた反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）により順にエッチングする。

図面にＹ状の記号で示すプローブ分子（例えば、抗体タンパク質）は、第１の電極層３００４及び第２の電極層３０８において露出した貫通孔の表面に付着させることができる。電気信号（例えば、直流信号又は交流信号）を第１の電極層３００４と第２の電極層３００８に印加することができる。図中矢印で示す方向に液体試料が貫通孔を通って流れると、試料中の検出すべき分子（図中丸印で示す）は、プローブ分子と反応することができ、該分子の検出が達成される。

図４は、本開示のさらなる実施形態によるセンシング装置の断面図を模式的に示す。

図４に示すように、センシング装置は、基板４００２を有することができる。第１の電極層４００４、誘電体層４００６、第２の電極層４００８、及びパッシベーション層４０１０が順に基板４００２上に形成されている。またセンシング装置は、基板４００２及びその上のそれぞれの層を貫く複数の貫通孔を有することができる。基板及びこれらの層の構成についての説明は、図１〜３による説明を参照することができる。

また装置はマイクロ流体チップ４０１４を備えることができる。マイクロ流体チップ４０１４は、検出すべき分子を含む液体試料を装置に導入するための導入口４０１６を有することができ、それにより液体試料は貫通孔４０１２を通って流れることができる。図４には試料投入のための導入口が一つだけ示されているが、本開示はそれに限定されない。マイクロ流体チップは、より多くの導入口を有することができる。

マイクロ流体チップは、マイクロスケールで液体を正確に制御し処理することができる。例えば、マイクロ流体チップは、ポリメタクリル酸メチル（ＰＭＭＡ）、ポリカーボネート（ＰＣ）、ポリジメチルシロキサン（ＰＤＭＳ）などの透明ポリマーから作製することができ、そして微細加工技術によって作製されたマイクロチャネル（微細流路）やマイクロキャビティ（微細窪み）などの微細構造を有することができる。微細構造は、長さ、幅、高さなどの寸法のうち少なくとも一つの寸法がミクロンのスケールである。閉じた流路は、マイクロ流体チップをその下にある構造物に接合することにより、あるいは圧力をかけることにより形成することができ、それにより液体を移送することができる。

以上の説明において種々の特徴を異なる実施形態で記載しているが、それらの特徴を都合よく組み合わせることも可能である。

以上本開示の実施形態について説明したが、それらの実施形態は単なる例示であり、本開示の範囲を限定するものではない。本開示の範囲は、添付の請求の範囲及びその均等物によって画定される。当業者は本開示の範囲を逸脱することなく種々の変更及び修飾を行うことができ、それらも本開示の範囲内である。

Claims

誘電体層によって分離されている第１の電極層及び第２の電極層、並びに
該第１の電極層、該第２の電極層、及び該誘電体層を貫く貫通孔を備える、センシング装置。
基板をさらに備え、該第１の電極層、該誘電体層、及び該第２の電極層は、該基板の片側上に順に形成されており、かつ該貫通孔は該基板を貫いている、請求項１に記載のセンシング装置。
該貫通孔は、該第１の電極層における寸法と該第２の電極層における寸法とが異なるものである、請求項１に記載のセンシング装置。
該貫通孔は、該誘電体層における寸法と該第２の電極層における寸法とが実質的に同じものである、請求項３に記載のセンシング装置。
該貫通孔は、該第１の電極層における寸法と該第２の電極層における寸法とが実質的に同じものである、請求項１に記載のセンシング装置。
該貫通孔は、該誘電体層における寸法と該第１及び第２の電極層における寸法とが実質的に同じものである、請求項５に記載のセンシング装置。
複数の貫通孔のアレイが形成されている、請求項１に記載のセンシング装置。
該貫通孔は円形の形状を有しかつ約１００ｎｍ〜約５００μｍの直径を有する、請求項１に記載のセンシング装置。
該基板の該片側の反対側上に順に形成されているさらなる第１の電極層、さらなる誘電体層、及びさらなる第２の電極層をさらに備え、かつ該貫通孔は、該さらなる第１の電極層、該さらなる誘電体層、及び該さらなる第２の電極層を貫いている、請求項２に記載のセンシング装置。
マイクロ流体チップをさらに備え、該マイクロ流体チップは、液体試料が該貫通孔を通って流れるよう該液体試料を導く構成となっている、請求項１に記載のセンシング装置。